液体静压主轴回转误差的形成机理研究

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,虽然已在工程领域获得广泛应用,但其回转误差的形成机理长期以来并不明确。利用现有的静压主轴计算模型,难以对主轴从静平衡位置到动态回转误差轨迹的过渡过程进行定量精确的计算和仿真,难以揭示出回转误差运动的扰动因素与主轴位置、轴承流量和油膜力等因素之间的内在联系,因而不能从物理本质上合理解释静压主轴回转误差的形成机理。建立了液体静压主轴回转误差的动力学模型,采用全程动网格方法、平衡位置动网格方法和平衡位置油膜刚度阻尼等三种方法,定量再现了主轴从轴颈与轴承的同心初始位置到形成回转误差运动轨迹的过渡过程,揭示了静压主轴形成平均回转中心和回转误差时扰动因素与主轴合力、轴承流量和轴心位置之间的相互影响规律。采用最小二乘法对回转误差轨迹进行评价,对比分析了三种方法计算结果存在差异的原因,提出了可同时兼顾计算效率和计算精度的将动网格与油膜刚度阻尼相结合的回转误差计算方法。     

液体静压主轴的回转精度规律及其极限预测

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,对机床的加工效率、加工精度和加工表面质量具有直接而重要的影响.回转精度是液体静压主轴的关键性能,目前学术界和工程界对回转精度的各种评价指标之间的内在联系尚缺乏统一认识,对回转精度的机理和形成规律尚缺乏深入研究.系统分析了回转精度各种评价指标和测试方法之间的内在联系,明确了不同误差成分的来源和成因;针对现有回转精度评价方法的局限性,提出了"最小峰峰值+同步误差+异步误差"的综合评价方法.系统比较了不同节流方式对液体静压轴承刚度的影响规律,提出了采用可控节流实现高回转精度的方法.建立了可控节流液体静压主轴的流固热耦合模型,实现了轴心运动轨迹形成过渡过程的精确定量仿真,揭示了供油压力、供油压力波动、动不平衡量和轴颈圆度误差对回转精度的影响规律.最后对液体静压主轴可能达到的回转精度极限进行了预测.     

可控节流参数对液体静压轴承特性的影响研究

节流器是液体静压主轴的核心元件,其节流特性对液体静压主轴的刚度和回转精度具有直接影响。针对现有节流器在主轴工作时节流特性不可控的不足,提出一款预压预调型可控节流器。在分析可控节流器工作原理和节流特性基础上,根据流体润滑理论,建立基于可控节流器的液体静压轴承承载性能的理论模型,研究可控节流器供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力等参数对液体静压轴承承载性能的影响规律,并与固定节流液体静压轴承的承载性能进行对比。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,可控节流器能够显著地提高液体静压轴承的油膜刚度;在不同偏心率条件下,可控节流液体静压轴承的最佳油膜刚度对应的节流参数不同。在开发的液体静压电主轴试验台上进行了试验研究,通过对油腔压力和油膜刚度的理论计算值与试验测量值的对比,证实了可控节流方案的有效性。     

轴颈形状误差对液体静压主轴回转精度的影响

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,已在工程领域广泛应用,但轴颈形状误差作为静压主轴形成回转误差的主要因素,其对回转误差的定量影响规律并不明确。通过分析和简化主轴轴颈的形状误差特征,运用CFD动网格技术定量计算了形状误差作用下主轴在轴承油膜中的平衡位置,模拟了主轴旋转时轴颈形状误差凹、凸部位依次通过最小油膜厚度位置的轴心轨迹,发现了轴颈圆度误差使主轴形成回转误差,其大小与轴颈圆度频次和幅值有关,揭示出轴颈圆度误差对液体静压主轴回转精度的作用机制。通过对比理论计算和试验测试轴颈圆度误差作用下的回转精度,理论计算值约为试验测试值的75.2%。理论计算结果和所提出的研究方法具有重要的理论意义和工程参考价值。     

全液体静压支承结构磨削系统的磨削成圆规律及圆度极限预测

主轴轴颈的圆度直接影响液体静压主轴系统的回转精度,要制造纳米级回转精度的液体静压主轴系统,必须不断提高主轴零件轴颈的圆度。目前国内外高精密磨床可实现的轴颈磨削圆度范围在0.2～0.5μm,要想进一步提高轴颈磨削圆度,以上磨削方案已很难满足需要。基于此,系统研究头架主轴、尾架主轴和砂轮主轴均采用液体静压支承的全静压支承结构磨削系统的磨削成圆规律,探讨可能达到的圆度极限。首先建立计入头架主轴回转误差、尾架主轴回转误差、双顶尖不同轴误差、砂轮主轴回转误差和工件初始表面轮廓圆度误差的磨削系统耦合动力学模型;提出基于Newmark-β数值积分方法的“磨削力-瞬态磨削深度”循环迭代收敛算法,实现工件外圆轮廓形成过渡过程的定量仿真。研制全液体静压主轴支承结构磨削系统,通过磨削实验和磨削成圆仿真结论的对比,证实所建立模型和所提出算法的有效性。最后根据所提模型和仿真算法,研究各磨削系统误差对磨削圆度的影响规律,并在此基础上对可实现的磨削圆度极限进行了预测。     

液体动静压混合轴承

液体动静压混合轴承是一种既综合了液体动压轴承和液体静压轴承的优点,同时又克服了两者缺点的新型多油楔油膜滑动轴承。由于利用小孔和浅腔二次节流形成的静压承载力将主轴悬浮在高压油膜中间,从而提高了主轴刚度和抗过载能力;同时由于高压油膜本身具有很好的均化作用,使主轴获得了很高的回转精度。主要技术指标:主轴端部锥面径向跳动<0.001mm;主轴轴     

基于重复控制的静压轴承-主轴系统非圆轴心轨迹成型技术研究

非圆轴心轨迹成型技术可用于异形曲面加工等特殊用途。为提高非圆轴心轨迹的成型精度,提出了可控静压轴承主轴系统的重复控制方法。可控静压轴承主轴系统是一个多变量耦合系统,模型复杂。为了便于控制器的设计,对系统原有线性参变模型进行了简化,建立了线性解耦模型。根据非圆轴心轨迹成型的特点,将重复控制器引入原PI控制系统,并根据稳定性准则,设计了重复控制器各参数,同时,为保证系统对非圆轨迹的跟踪精度,分析了增益参数对系统稳定性和性能之间的影响。最后建立了可控静压轴承主轴仿真与实验系统,并将重复控制与传统PI控制策略进行了对比。结果表明,该重复控制系统具有较强的鲁棒性且稳态误差更小,控制精度相较于PI控制系统有显著的提升。     

PM流量控制器参数对液体静压导轨运动精度影响的研究

液体静压导轨在超精密机床中广泛应用,其运动误差直接影响被加工件表面精度,因此,针对液体静压导轨运动精度的研究并不少见。然而,上述研究涉及的建模方法都具有一定的简化处理,并且少有考虑恒压式液体静压导轨中关键元件节流器的影响作用。基于运动学理论,直接建立四油垫闭式液体静压导轨准静态理论模型,研究PM流量控制器参数对运动精度的影响。分析表明,该节流器三个关键参数不影响运动误差曲线波峰波谷的出现位置,但会影响运动误差的波动程度和PV值。通过油膜反力波动分析可以解释运动误差变化机理,油膜反力波动越剧烈,运动误差变化也越显著。相对于其他两个参数比流量Kr和供油压力P_s,初始流量Q_0对运动精度的影响较为显著。研究工作旨在为PM流量控制器关键参数的选取提供理论参考。     

M115W外圆磨床磨头液体静压轴承改装设计

不等封油边静压轴承,利用主轴挠度对轴承油膜刚度的影响,变主轴挠度这个不利因素为提高轴承油膜刚度的有利因素.因此,不等封油边静压轴承的设计,是在固定节流静压轴承的基础上,通过改善轴承本身结构提高轴承的承载能力.M115W外圆磨床磨头采用不等封油边液体静压轴承进行改装设计,提高了主轴系统的刚度,改装后的M115W外圆磨床达到了原有的加工精度和使用性能.     

精密磨床主轴轴颈形状误差对动静压轴承性能的影响

考虑主轴轴颈制造中的圆度误差和圆柱度误差,应用FLUENT软件,对精密数控磨床砂轮主轴深浅油腔动静压轴承的性能进行了分析。结果表明:主轴轴颈圆度误差和圆柱度误差的种类对动静压轴承性能的影响各不相同,随着轴承间隙的变化而变化。动静压轴承承载能力、功耗以及油膜最高温升等性能参数都会随着主轴轴颈误差幅值的增加而增加;但动静压轴承流量的变化趋势却相反。要提高磨削加工精度,必须考虑精密数控磨床主轴轴颈的形状误差的影响。     

PM流量控制器节流液体静压轴承静动态特性分析

将PM流量控制器用于无周向回油槽四腔向心静压轴承,建立了PM流量控制器静压轴承数学模型,重点研究分析了轴承结构参数及PM流量控制器参数对静压轴承特性的影响。研究结果表明:轴承轴流封油边系数越小、周流封油边系数越大,轴承油膜刚度和承载力越大,初始油膜间隙增大,油膜刚度减小;润滑油动力粘度较大且初始油膜间隙较小时,油膜刚度和承载力较大;液阻比越小,比流量越大,油膜刚度越大;供油压力越大,油膜刚度、承载力和流量越大。同时基于线性化下液体静压轴承系统的传递函数,利用Matlab Simulink软件在时域和频域内分别研究了静压轴承系统的动态特性。研究结果表明:在阶跃载荷作用下,随着供油压力和比流量的提高,过渡过程时间越短,静压轴承系统的动态特性越好;在正弦载荷作用下,提高供油压力、比流量都会使轴心偏移量的稳态幅值减小,油膜动刚度增大,且供油压力较比流量对系统频率特性的影响显著。     

液体静压主轴油膜滑移现象的分析及试验研究

针对液体静压主轴运动过程中动态特性问题,研究微尺度下油膜滑移对轴承承载力,刚度及动态刚度的影响。把微尺度下发生的速度滑移引入到油膜性能方程中,结合液体静压主轴系统平衡方程推导出了主轴系统承载力、刚度及动态刚度表达式,研究了油膜初期主轴静动态性能及油膜动刚度特性。从仿真结果中得到油膜滑移的发生使得承载力及刚度增大,最大刚度对应油膜厚度减小。最后刚度检测试验间接得出了实际主轴系统油膜流动过程中,存在油膜微滑移现象。本项研究为液体静压主轴微尺度下油膜滑移现象及性能的研究探索了一条新途径。     

液体静压轴承节流器的设计

采用固定节流形式的液体静压轴承,其轴承油膜刚度J是节流比β的函数。当节流比为一特定值时,可使油膜刚度为最大,此时的节流比称为最佳节流比。设计人员都是依据最佳节流比来设计选择静压轴承各参数的。然而,由于零件存在一定的加工误差及测量误差,在装配调试过程中,往往出现节流比偏离最佳值的情况。     

SIU250T卧车主轴静压轴承受力分析

由于机床采用恒压力静压轴承,即供油压力一定、通过节流器的调节使得主轴在承受外载荷的情况下处于轴承中心。静压轴承系统无法提供足够的油膜刚度以克服主轴的抗弯曲刚度,使得轴承与轴之间没有刚性的油膜进行支撑,进而造成主轴与轴承摩擦。所以对主轴静压轴承进行受力分析、校核计算,可确定其改造方向。     

薄膜加工新工艺

液体静压技术中的薄膜反馈节流器,可在较大的轴承间隙和较低的供油压力下取得很大的油膜刚度。因此,可降低摩擦功率和温升,有利于提高油膜对主轴形状误差的均化作用,降低密封要求,特别适合用于重载或载荷变化范围大的大、中型精密机床,在机床改造中应用较多。但是,其关键零件——薄膜的加工是十分困难的。     

液体动静压球轴承轴心运动轨迹研究

为研究外载荷对轴承转子系统稳定性的影响,以小孔节流的液体动静压球轴承转子系统为研究对象,建立液体动静压球轴承转子系统动力学模型。通过求解轴承润滑数学模型获得非线性油膜力,分析转子所受到的外载荷,采用欧拉算法预测出轴心下一个时刻位移、速度和加速度,并分析转子系统质量、不平衡载荷和阶跃载荷对转子回转精度的影响。结果表明：随着转子系统质量的增加,所需平衡的油膜力增加,轴心振动幅度增加,从而导致转子回转精度降低;相对于不考虑不平衡载荷,考虑不平衡载荷后其振动形态为椭圆且振动幅值增大,减小不平衡值将减小振幅并提高旋转精度;随着阶跃载荷的增加,达到平衡所需的时间也增加。     

精密离心机结构安装误差对主轴回转精度的影响

针对精密离心机的精度控制,建立了精密离心机结构安装误差对静压气体轴承主轴回转精度影响的定量计算模型,运用该模型开展了多方面结构安装误差参量对主轴回转精度影响规律的研究。研究表明主轴回转误差随转盘与静压气体轴承轴线间偏心量、静压气体轴承轴线铅垂度安装误差和转盘与静压气体轴承轴线安装垂直度误差的增加而增大,其中偏心量和垂直度误差对主轴回转误差的影响较大,铅垂度误差对主轴回转误差的影响较小。研究可为精密离心机的设计提供帮助。     

缝隙节流器的设计及应用

液体静压支承中节流顺是不可缺少的重要组成部分，没有节流器的调压作用，静压支承就没有承载能力和油膜刚度。本文介绍一种结构简单、安装方便、使用可行的缝隙节流器，其内容包括节流器的设计计算、结构设计及制造方法。     

不等封油边静压轴承的设计及应用

通常在静压轴承的设计和计算中,一般都是把主轴看成刚体,忽略主轴在轴承中的弯曲挠度对轴承油膜刚度的影响。而我们研制的不等封油边静压轴承,则不仅考虑了主轴挠度的影响,而且变主轴挠度这个不利因素为提高轴承油膜刚度的有利因素。因此,不等封油边静压轴承的设计,是在固定节流静压轴承的基础上,通过改善轴承本身结构(即轴向封油边不相等),来提高轴承的刚度性能的。与采用固定节流形式的有周向回油槽及无周向回油槽静压轴承相比,不等封油边静压轴承的油膜刚度要大40～90％。     

超精密液体静压回转工作台研制北大核心

对某高精度立式磨床用回转工作台采用液体静压直驱转台总体技术方案以保证其良好的动态特性和回转精度;支承系统采用液体静压支承以获得高的承载能力、刚度以保证工艺系统刚性;针对转台高动态回转精度要求,考虑油膜误差均化,确定了其关键零件部件精度并采用手工研磨方式保证了其制造精度,实现了转台系统全转速范围内0.25 μm动态回转精度;针对电动机发热和油膜剪切发热,采用稀油大流量静压支承、止推上置电动机下置、电动机强冷等技术措施保证了回转工作台良好的热态特性,工作端热伸长小于4 μm。研制的静压回转工作台应用于立式磨床,实现了外圆内孔圆度0.45 μm的磨削精度。